Materiali prima classificazione n n n Conduttori sostanze

Materiali: prima classificazione n n n Conduttori : sostanze nelle quali alcune o tutte le cariche elettriche possono muoversi liberamente sotto l'azione di forze elettriche (elettroni di conduzione nei metalli, ioni nelle soluzioni acquose). Isolanti (dielettrici): gli elettroni sono vincolati agli atomi (es. : vetro, ebanite). Semiconduttori: classe di materiali intermedia tra i conduttori e gli isolanti per le loro proprietà di condurre elettricità (es. : silicio, germanio). In realtà in questi la conduzione avviene in modo piuttosto peculiare

Altri materiali n n Superconduttori (scoperti nel 1911; recenti scoperte nel 1997) Nanotubi e nanofili(scoperti nel 1991)

Modalità di conduzione nei solidi n n Banda di conduzione Energia degli elettroni n Ciascun elettrone in un solido possiede una energia potenziale (livello energetico) Risultato fondamentale della meccanica quantistica è che non tutte le energie sono possibili: esse sono discrete e raggruppate in bande le bande sono separate da regioni che indicano energie che gli elettroni non possono avere: bande proibite In un solido gli elettroni più esterni sono quelli che formano i legami: elettroni di valenza; banda di valenza La conduzione avviene se possiamo mettere in moto elettroni (energeticamente: dobbiamo disporre di elettroni in banda di conduzione [energia cinetica]) Banda di valenza

Modalità di conduzione nei solidi O Si O O Si Si O Energia degli elettroni Conduttori: “mare” di elettroni liberi Si Gap piccolo: salto termico (rottura legame) Isolanti (Si. O 2) Semiconduttori

Semiconduttori intrinseci n n Abbiamo visto che la conduzione avviene per due contributi: elettroni e lacune Si La velocità dei portatori è legata al campo da un fattore (di solito dipendente dal campo) definito mobilità Posto: n (m-3) = concentrazione degli elettroni p (m-3) = concentrazione delle lacune n Si Si Si Gap piccolo: salto termico (rottura legame) Per semiconduttori intrinseci n=p Semiconduttori

Semiconduttori Drogati Si Si Si P Si Drogati n donatori Si Si Si B Si Drogati p ++++++ accettori -----

Giunzione p-n (diodo) n n Semiconduttore drogato n: eccesso elettroni Semiconduttore drogato p: eccesso lacune E p n n --- + + n Le lacune diffondono in n e gli elettroni i p, lasciando atomi ionizzati (regioni ”svuotate”) Gli atomi ionizzati producono un campo che impedisce ulteriore diffusione La corrente può riprendere solo se si applica una ddp esterna che cancella tale campo elettrico: effetto soglia Se la ddp esterna produce un campo nella stessa direzione di quello prodotto dagli ioni, aumentano le regioni svuotate

Giunzione metallo-semiconduttore (Schottky) n n In una giunzione pn entrambe le classi di portatori partecipano a fenomeno della conduzione: i portatori più lenti limitano le prestazioni in velocità La giunzione Schottky è unipolare: più attraente ad alte frequenze

Caratteristica diodi; non linearità e linearizzazione n n Un diodo è un oggetto non lineare con caratteristica corrente tensione I=F(V) Se viene applicata una tensione V 0 fissa con sovrapposta una v tale v << V 0 V= V 0+v possiamo espandere F nell’intorno di V 0 n n n V 0 stabilisce il “punto di riposo” (bias) Un diodo polarizzato in diretta si comporta ai piccoli segnali fondamentalmente come una conduttanza Se polarizzato in inversa la conduttanza è trascurabile e solo la corrente di spostamento attraverso lo strato svuotato conta: diventa una capacità

Caratteristica diodi; non linearità e linearizzazione n Allo stesso tempo il segnale applicato v=v. RF è ad una pulsazione w. RF e soddisfa la condizione di piccolo segnale n n Ora però immaginate che il punto di riposo sia stabilito da una tensione oscillante VLO con pulsazione w. LO La corrente che scorre è In pratica g varia alla frequenza w. LO(e relative armoniche…idealmente trascurabili) mentre v. RF a w. RF: : è un MIXER Un mixer fa idealmente il prodotto di due segnali: per esempio se n Traslazione in frequenza

Problematiche aggiuntive mixer n n La non linearità, specie se troppo marcata, produrrà molteplici prodotti di intermodulazione (dovuti ai termini superiori dell’espansione in serie di Taylor, mw. LO +nw. RF con m, n interi I (o alcuni) prodotti di intermodulazione possono essere eliminati attraverso: filtraggio u configurazioni particolari (es: se la F(V), ottenuta combinando elementi non lineari ha simmetria dispari, solo armoniche dispari sono generate) u n n Tali prodotti possono essere usati per realizzare mixer che non usino w. LO ma suoi multipli (mixer subarmonici) Nella conversione di frequenza per mezzo di diodi si ha una “perdita di conversione” (tipicamente 4 -7 d. B); tale perdita può essere compensata se si usano le non linearità di dispositivi attivi (transistor, tipicamente FET)

Mixer bilanciato: ibrido 90° n n Ottimo adattamento ad RF ed LO Scarso isolamento LO ad RF ( e viceversa) RF 1 LO 2 3 -90 0 0 -90 4 0° 90° 180°

Mixer bilanciato: ibrido 180° n n Scarso adattamento ad RF ed LO Ottimo isolamento LO ad RF ( e viceversa) RF LO n 1 0 2 3 0 0 180 4 Eventuali residui di LO ed RF sono mappati in uscita in controfase: se i segnali vengono combinati LO si cancella 0° 180° 360°

FET a microonde n n Un FET ha un’impedenza di ingresso molto alta (almeno in bassa frequenza): più facile adattare (? ) In particolare un FET Metallo Semiconduttore è unipolare: indicato per applicazioni ad alta frequenza.

FET a microonde n n n Nei MESFET la velocità di saturazione viene raggiunta a livelli di campo relativamente bassi: conseguono effetti particolari come la formazione di domini di carica (domini di Gunn) Infatti raggiunta la velocità di saturazione, incrementi della ddp spostano solo verso il source il punto in cui la velocità è raggiunta; alla fine quasi tutto il canale è percorso alla velocità di saturazione Se si aumenta la ddp, la continuità della carica impone che in prossimità della riduzione di sezione vi sia un accumulo di carica

FET a microonde: circuito equivalente n n n Non diverso da un FET standard; ora però, a microonde capacità di pochi femtofarad sono di importanza notevole Negli amplificatori di potenza (multifinger), Cg può essere piuttosto grande: bassa impedenza di ingresso e difficoltà ad adattare Cgd agisce come feedback positivo: limita la stabilità del dispositivo

Un FET particolare: HEMT n n n HEMT: acronimo di High Electron Mobility Transistor; chiamati anche MODFET (Modulation Doped FET) I materiali vengono combinati così da ottenere un fenomeno detto “pozzo quantico”: in pratica si forma una “buca di potenziale” all’interfaccia tra due materiali dove si raccolgono alcuni degli elettroni provenienti da uno strato drogato Il “Gas” elettronico (2 DEG) viaggia in uno strato non drogato, e quindi con meno probabilità di collisione con impurità: maggiore mobilità (quindi velocità) e maggiore transconduttanza

Caratterizzazione degli amplificatori: guadagno n n Guadagno di potenza (transducer power gain): rapporto tra potenza ceduta al carico e potenza disponibile dalla sorgente Guadagno unilaterale (S 12=0)

Caratterizzazione degli amplificatori: guadagno n Massimo Guadagno Unilaterale o massimo guadagno disponibile (MAG: Maximum Available Gain): è quello che si ottiene se si la rete è adattata al complesso coniugato del carico

Stabilità n TEOREMA: (Teorema del progettista) Quando si progetta un amplificatore si ottiene MOLTO PIU’ facilmente un oscillatore (ovviamente indesiderato) n Corollario Quando si progetta un oscillatore è maledettamente facile realizzare un eccellente amplificatore

Caratterizzazione degli amplificatori: Stabilità n I coefficienti di riflessione all’ingresso e all’uscita dell’amplificatore sono

Caratterizzazione degli amplificatori: Stabilità n n Il circuito è INCONDIZIONATAMENTE STABILE se possiamo connettere carichi e sorgenti arbitrari. Questo è assicurato se Restringendo l’attenzione a carichi per cui GS e GL sono in modulo <1, queste condizioni portano a definire n Coefficiente di Rollet o di stabilità

Caratterizzazione degli amplificatori: Stabilità n n Se K>1 possiamo ottenere il massimo guadagno risolvendo il sistema Da cui si ottengono

Caratterizzazione degli amplificatori: Stabilità n n n Se K£ 1 occorre essere sicuri che per i carichi scelti Gin e Gout siano£ 1 Graficamente è possibile tracciare i luoghi con |Gin|=1 e |Gout|=1 sui piani complessi che rappresentano GLe GS (rispettivamente): Cd. S Si tratta di cerchi con raggio e centro rispettivamente

Caratterizzazione degli amplificatori: Stabilità n n n L’origine corrisponde al caso in cui il carico (o la sorgente) è pari all’impedenza di normalizzazione. In tal caso (rispettivamente) sappiamo che Gin=S 11 (Gout=S 22): quindi se il modulo di S 11 (S 22) è minore di uno l’origine rappresenta un punto stabile della carta del carico (Sorgente) Altrimenti l’origine rappresenta un punto instabile. In tal modo possiamo capire se è l’area INTERNA o l’area ESTERNA del cerchio di stabilità a rappresentare i punti stabili

Caratterizzazione degli amplificatori: Stabilità Casi in cui l’origine è un punto stabile:

Caratterizzazione degli amplificatori: Stabilità Se l’ampli è incondizionatamente stabile, il MAG può essere riscritto in termini del coeff di Rollet: Altrimenti si definisce il MASSIMO GUADAGNO STABILE

Rumore n n n In uscita troviamo del segnale anche in assenza di segnale all’ingresso: il rumore In generale quindi in uscita avremo il rumore del segnale in ingresso, amplificato con il segnale stesso, più il rumore generato dall’amplificatore. Un figura di merito è la Figura di Rumore: F=rapporto tra il S/N all’ingresso ed il S/N all’uscita Quindi un dispositivo migliore ha figura di rumore più piccola

Rumore n Un due porte rumoroso può essere rappresentato come un due porte privo di rumore con all’ingresso generatori (tensione e corrente) di rumore vn in n n 2 -porte senza rumore Se ci fosse solo un generatore di corrente, un’impedenza di sorgente minima ridurrebbe la corrente di rumore che entra nel due porte Viceversa, se ci fosse solo il generatore di tensione, sarebbe auspicabile una impedenza di sorgente grande

Rumore n n In generale esisterà una impedenza di sorgente ottima che minimizza la quantità di rumore che entra nel due porte Possiamo pensare a questa come all’impedenza che rende “disadattato” il rumore, pur lasciando relativamente adattato il segnale utile I costruttori forniscono quindi di solito una Gopt Quindi Zopt è il valore che dovrebbe avere l’impedenza di sorgente per avere la minima figura di rumore

Rumore n n Se l’impedenza di sorgente non corrisponde alla ottima, si calcola la figura di rumore effettiva Quindi il disegno per il minimo rumore consiste in: trasformare l’impedenza di sorgente (tipicamente quella di sistema, 50 W) in Zopt u trasformare l’impedenza di carico in modo tale che u

Polarizzazione (Bias) n n n La polarizzazione determina la CLASSE dell’amplificatore (A, AB B, F, G ecc. ). Un amplificatore lineare (A) è polarizzato in modo che il transistor sia accese durante tutto il ciclo del segnale di ingresso. La polarizzazione va garantita influenzando il meno possibile le prestazioni a RF: le tensioni e correnti di polarizzazione vanno fornita attraverso induttori o stub che impediscano alla RF di “vedere” il circuito di alimentazione Le considerazioni relative alla stabilità del punto di riposo (in temperatura, rispetto a variazioni dei parametri ecc. ) sono comun al progetto di ampli in bassa frequenza

n n n Comportamento non lineare Un amplificatore è considerato lineare se la potenza in uscita cresce linearmente con la potenza di ingresso Quando la potenza di uscita si allontana dalla retta ideale di 1 d. B si individua il “punto di compressione ad 1 d. B” Quando il dispositivo cessa di essere lineare nascono i prodotti d intermodulazione, con potenza via crescente I prodotti più pericolosi sono di ordine 3 (m+n=3) Quando la potenza dei prodotti di intermodulazione di ordine 3 uguaglia il segnale utile si ha “l’intercetta di 3 ordine”: questa consente di ricavare con alcune semplici formule, il livello delle armoniche alle altre potenze, ed è perciò un parametro importante